EP1112896B1 - Système de génération de puissance pour un réseau bitension - Google Patents
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- EP1112896B1 EP1112896B1 EP00403549A EP00403549A EP1112896B1 EP 1112896 B1 EP1112896 B1 EP 1112896B1 EP 00403549 A EP00403549 A EP 00403549A EP 00403549 A EP00403549 A EP 00403549A EP 1112896 B1 EP1112896 B1 EP 1112896B1
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Definitions
- the invention relates to a system for generating power for an on-board dual voltage network on a motor vehicle, intended to meet the growing demand for electrical power in future vehicles, which will introduce new electrical functions tending to improve safety, like the comfort of the passengers. Simultaneously, the invention must take into account the objectives of reduced fuel consumption, also aimed at reducing pollutant emissions.
- Another solution currently being considered by car manufacturers is to increase the output voltage, especially to triple the voltage current 14 Volts network to 42 Volts.
- This solution is advantageous because it allows the use of certain consumers who do not only work with 42 Volts, improving the network distribution, both in terms of relaying, fusiblage, the connection that the section cables which is then reduced, and the production additional energy.
- the increase of the output voltage of the alternator must remain compatible with the standard current voltage of the onboard network, 14 volts, because it is not possible to replace it brutally and completely through a 42-volt network, for industrial, technical and economic reasons. he therefore a phase of cohabitation of the two 14 and 42 Volt power sub-networks within the same vehicle, even if it is necessary to the next evolution of certain circuits consumers of the subnet 14 Volts to the subnet 42 Volts.
- This phase of cohabitation of the two sub-networks of different voltages assumes a configuration particular electrical system production of energy, an example of which is shown in the diagram of Figure 1. It includes, driven by the engine shaft 2 of the vehicle, live or via a gearbox, an electric machine 3, of type alternator or alternator-starter, associated with a circuit of recovery 4 made from one or more diode bridges according to the number of stator windings.
- an alternator-starter the recovery is performed using transistors constituting a inverter.
- the machine thus straightened is connected with a part to consumer elements in 42 Volts and on the other hand to a battery 6, which can be constituted of several storage elements 60, of tension between 30 and 48 volts.
- a converter static 7 must lower the voltage of 42 Volts to a rated voltage of 14 volts, to ensure the transfer energy to the second network, which includes a battery 8 of 12 Volts and supplies the elements consumers 9 operating at this voltage.
- This architecture has many disadvantages, whose presence of this electronic converter, expensive, bulky - about 1.5 liters of volume depending its power - generating heat losses difficult to evacuate.
- Document DE-4226311 describes a generation system of power for a dual voltage network.
- the two networks are connected to the neutral point and the value subnet voltage is still half the other.
- the aim of the invention is to overcome these disadvantages by proposing a system of energy production for dual voltage network without DC / DC voltage converter, alternatively or alternator-starter and authorizing the transfer of energy from a from the two sub-networks to the other, in particular from Volts to 14 Volts, but also so totally reversible.
- the object of the invention is a power generation system for a dual-voltage electrical network, comprising a three-phase alternator type electrical machine whose stator phases are rectified to generate the desired power on the sub-network operating at a maximum voltage.
- first voltage value (U s ) the stator of the three-phase alternator (20) being star-wound so as to have a neutral point (N) to which the second sub-network operating at a second voltage value (U) is connected; b ) less than the first, characterized in that it comprises electronic control means (22) and voltage regulation (U s and U b ) of the two sub-networks, the regulation values of the two subnets being independent and allowing the transfer of energy from one of the two sub-networks to the other so as to make the system completely reversible.
- the means for rectifying the stator phases of the three-phase alternator consist of a three-phase inverter comprising six switches H 1 to H 3 and L 1 to L 3 , of type transistors, connected in series and in the same direction, in groups of two between the mass and the highest voltage U s for each of the three phases of the stator, each of the six transistors being controlled by the electronic control circuit, which is intended to to enslave the average value of the voltage of the three phases to a set voltage for obtaining the voltage U b at the input of the second sub-network at lower voltage.
- the system furthermore comprises two filtering means respectively arranged at the neutral point N at the input of the lower voltage subnet U b and at the output of the inverter at the input of the higher voltage subnet U s .
- the recovery means of the stator phases of the three-phase alternator are constituted by a passive rectifier bridge comprising six diodes d 1 to d 6 , mounted in pairs, in series and in the same direction, between the mass and the highest voltage U s for each of the three phases of the stator and in that the electronic means for regulating the voltage U b of the second sub-network consist of a switch I 0 whose closure is controlled by a control circuit.
- the recovery means of the stator phases of the three-phase alternator are constituted by a passive rectifier bridge comprising six diodes d 1 to d 6 , mounted in groups of two, in series and in the same direction, between the ground and the highest voltage U s for each of the three phases of the stator and in that the electronic means for regulating the voltage U b of the second sub-network consist of a linear or switching regulator.
- the power generation system for a dual voltage electrical network comprises a three-phase electrical machine 20 of the alternator type, which can be synchronous with a coiled rotor or with magnets or else a coiled and coiled with magnets.
- the stator phases are rectified to generate the desired power on the first sub-network operating at a first voltage value U s .
- U s can also be an asynchronous alternator.
- It is star wound to the stator so as to have a neutral point N to which is connected the second sub-network operating at a second voltage value U b less than the first voltage value U s .
- a three-phase inverter 21 which delivers a voltage U s , equal to 42 Volts in the particular case of a current motor vehicle, and which consists of six switches H 1 to H 3 and L 1 to L 3 . They are arranged in three arms of two switches each, mounted in series and in the same direction, one L i "low-side” between the mass and one of the phases and the other H i "high-side” between the phase and the upper voltage U s .
- These switches are transistors of MOSFET or IGBT or bipolar or other type, associated or not with a reverse diode.
- control and regulation means 22 which receive regulation instructions of the voltages U s and U b of the two sub-networks, coming from a computer 99 establishing electronic strategies for managing the electrical energy of the network.
- These control means 22 can also receive information on the position of the rotor relative to the stator on the part of a position sensor 32.
- Two filtering means 23 and 24 can be respectively arranged at the entrance of each of the two subnets, either at the neutral point N, towards the subnet at 14 volts and at the output S of the control circuit, to the subnet at 42 Volts.
- These means consist, for example, of capacities associated with inductances sized to deliver filtered continuous voltages remaining in the tolerances allowed for the application, in emission and electromagnetic susceptibility.
- These two subnetworks may each have a battery, referenced respectively 25 and 26, and powering consumers 27 and 28 running respectively at 14 volts and 42 volts.
- the voltage regulation on the sub-network of 14 Volts, is obtained by adjusting the average value of the three phase voltages, that is to say by adjusting the three control signals of the three-phase machine. delivered by the electronic circuit for controlling and regulating the voltages U s and U b of the dual voltage network.
- alternator or alternator-starter.
- the regulation of these two voltages is done according to a pulse width modulation method of control signals of the transistors constituting the arm of the inverter, to generate on the three phases, three periodic waves, sinusoidal, trapezoidal, triangular for example, out of phase 120 ° from each other.
- This process is applicable to three types of machine: synchronous wound rotor (SYRB), synchronous permanent magnet (SYAP) and asynchronous (ASY).
- the regulation is done according to a process of commands "full wave” synchronous rectification type, applicable only to synchronous rotor machines coil.
- the average voltage U moy of the three stator voltages must be enslaved at the three output points of the phases P 1 , P 2 and P 3 at a necessary setpoint voltage for the regulation of the 14-pole network. volts.
- the regulation of the upper voltage U s is achieved by two parameters: the adjustment of the amplitude of the setpoints of phase and adjustment of either the excitation of the rotor in the case of a synchronous alternator with wound rotor, or of the speed slip existing between the speed of the stator rotating field and the mechanical rotational speed of the rotor in the case of a rotor.
- FIG. 3 is a block diagram of the electronic control means 22 of the inverter, ensuring the regulation of the two voltages U s and U b of the dual voltage network according to the invention.
- These means 34 take into account the phase shift instructions DEP or GLI, issued from the second corrector C 2 , to shift the synchronization tops of the position signal (FIG. 4b) from which the reference sinusoid S ref (FIG. 4 c ). To this is then applied a multiplicative coefficient C m , calculated by the correction circuit C 1 , to adjust the amplitude A of this sinusoid ( Figure 4 d ). This amplitude is imperatively lower than U s , or 42 Volts, for reasons of safety of the passengers of the vehicle, so that its average is around 24 Volts.
- the regulation of the lowest voltage U b is achieved by adjusting the average value of the setpoints of the three phases.
- This phase reference signal thus obtained is then transformed by a method of pulse width modulation in means 37 for generating control pulses of the six transistors of the inverter 21, H i and L i , i varying from 1 to 3 ( Figure 4 f ).
- This control of the transistors of the inverter thus makes it possible to generate three periodic voltage waves, offset by 120 ° from each other, in the form of sinusoids in FIG. 4g , at the level of the three phases P 1 to P 3 , allowing a continuous rotation of the stator field of the alternator.
- the regulation of the higher voltage U s at the output of the inverter is carried out by two parameters: the adjustment of the excitation of the rotor on the one hand and the combined adjustment of the angle of phase shift ⁇ and the angle of opening ⁇ of the pulses of the control signal of the inverter.
- differentiating means 51 calculate an error ⁇ s existing between the voltage U s measured at the input of the 42-volt sub-network and a set value (U ' s ) c issued by an external electronic computer, then send it on first correcting means C 4 which will calculate the EXC excitation of the rotor.
- a rotor position sensor 52 with respect to the stator or an auto-detection method according to the type of synchronous machine makes it possible to produce a position signal, for example in the form of synchronization tops (FIG. 6 a ). in means 53, which will be offset by a phase angle ⁇ (FIG. 6 b ), calculated in second correcting means C 5 from the error ⁇ s previously found.
- Second differentiating means 54 calculate the error ⁇ b between the voltage U b measured at the terminals of the second sub-network and a set value (U ' b ) c delivered by the external computer.
- This error ⁇ b passes through correction means C 6 which calculate the opening angle ⁇ , sent in means 55 for generating control pulses of the inverter, which also receive the synchronization tops offset from the angle ⁇ .
- FIG. 6c represents the control signals in each of the six transistors of the inverter, each pair of high transistors H i and low L i being assigned to one of the three phases P i , i varying from 1 to 3, at the output of which three periodic voltage waves are generated, shifted by 120 °.
- a suitable control of the three arm of the inverter, by the control circuit 22, allows to perform a transfer of energy from one of the two networks, 14 or 42 volts, towards the other.
- the structure of static converter thus obtained is of type voltage booster or voltage booster.
- Figure 7 is a block diagram of a structure depressing the voltage 42 Volts to the voltage 14 Volts.
- the three arms of the inverter 21 are driven to the same switching frequency and can be out of phase in order to decrease the residual voltage of rejection on the two voltage networks.
- control means 22 of the inverter 21 comprise means 70 for generating control pulses of the transistors which receive, as input information, on the one hand the measured voltage U s at the terminals of the battery 26 of the first subarray at 42 Volts and at the other hand the setpoint C calculated by correction means 71 from the error ⁇ b resulting from the comparison between the measured voltage U b at the terminals of the second sub-network and a reference value U b1 , carried out in comparison means 72.
- FIG. 8 is a block diagram of a voltage booster type static converter.
- it is the voltage U b delivered by the battery 25 which is the input data from which will be regulated the input voltage U s of the 42 Volts network.
- This voltage U s is measured and compared in comparison means 80, to be slaved to a setpoint U C2 by determining a setpoint C 'in correcting means 81 from the error ⁇ s resulting from the comparison, in Pulse width modulation case.
- control pulse generating means 82 sends signals to the six transistors of the inverter 21.
- the recovery means of the stator phases of the three-phase alternator 90 are passive type, consisting of a bridge 91 of six diodes d 1 to d 6 , either three groups of two diodes connected in series and in the same direction, for each of the three phases of the alternator, between the mass and the voltage U s the highest of the dual voltage network, 42 volts in the example chosen.
- the voltage U s of the sub-network connected to the output of this passive rectifier bridge is regulated only by the control of the excitation of the rotor R of the alternator.
- the electronic means for regulating the voltage U b of the second sub-network consist of a switch I 0 whose closure is controlled by a control circuit 92.
- This circuit 92 compares the measured voltage U b on the one hand with a first threshold S OFF , in a comparator 93, to deliver a control signal of the opening of the switch I o , and on the other hand, to a second threshold S ON , in another comparator 94, to output a control signal of its closure.
- These two control signals will alternately drive the switch I o , after passing through a logic latch 95.
- a diode 96 may be placed in series with the switch I o to improve its operation and to prevent the passage of a 14-volt sub-network current to the 42-volt sub-network.
- the regulation of the voltage U b of the second sub-network is provided by a regulator 97, ie of linear type if the voltage at the neutral point N is close to the voltage U b at the input of the sub-network, or of the switching type if the voltage at the neutral point N is close to half the voltage U s at the terminals of the first sub-network.
- the presence of a converter DC / DC electronics, expensive and bulky, is deleted between the two subnets.
- the fact that the alternator directly produces energy at subnet to 14 Volts without intermediary allows obtaining a very good return.
- system is completely reversible, allowing the transfer of energy from one of the two sub-networks towards the other. Thanks to the independence of the values of regulation of the two sub-networks, it is possible to apply the invention to other voltage values, different from 14 and 42 Volts.
- the system according to the invention makes compatible the electric power generation with the use of all types of storage elements, such as a battery lead, lithium, nickel-cadmium or capacitor of great value for example.
- the system is reliable and has a duration of increased life thanks to the minimization of components implemented to produce energy electrical dual voltage network.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Description
- la figure 2 : un schéma fonctionnel d'un système de production de puissance selon l'invention ;
- les figures 3 et 5 : deux schémas fonctionnels de deux variantes d'un premier mode de réalisation des moyens électroniques de régulation du réseau bitension selon l'invention ;
- les figures 4a à 4g : les chronogrammes des signaux délivrés par les, différents éléments du régulateur selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6a à 6c : les chronogrammes des signaux délivrés par les différents éléments du régulateur selon la deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 7 : un schéma fonctionnel d'un circuit abaisseur de tension ;
- la figure 8 : un schéma fonctionnel d'un circuit élévateur de tension ;
- les figures 9 et 10 : les schémas fonctionnels de deux variantes du deuxième mode de réalisation du régulateur du réseau bitension selon l'invention.
Claims (13)
- Système de génération de puissance pour un réseau électrique bitension, comprenant une machine électrique de type alternateur triphasé dont les phases statoriques sont redressées pour générer la puissance souhaitée sur le sous-réseau fonctionnant à une première valeur de tension (Us), le stator de l'alternateur triphasé (20) étant bobiné en étoile de façon à présenter un point neutre (N) auquel est relié le second sous-réseau fonctionnant à une deuxième valeur de tension (Ub) inférieure à la première, caractérisé en ce que qu'il comporte des moyens électroniques de commande (22) et de régulation des tensions (Us et Ub)des deux sous-réseaux, les valeurs de régulation des deux sous-réseaux étant indépendantes et permettant le transfert de l'énergie depuis un des deux sous-réseaux vers l'autre de façon à rendre le système complètement réversible.
- Système de génération de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de redressement des phases statoriques de l'alternateur triphasé sont constitués par un onduleur triphasé (21) comprenant six interrupteurs (H1 à H3) et (L1 à L3), de type transistors, montés en série et dans le même sens, par groupe de deux entre la masse et la tension (Us) la plus élevée pour chacune des trois phases du stator, chacun des six transistors étant piloté par les moyens électroniques de commande (22), qui sont destinés à asservir la valeur moyenne de la tension des trois phases à une tension de consigne permettant d'obtenir la tension (Ub) en entrée du second sous-réseau à plus basse tension, et en ce que le système comporte de plus deux moyens de filtrage respectivement disposés au point neutre (N) en entrée du sous-réseau à plus basse tension (Ub) et en sortie de l'onduleur en entrée du sous-réseau à plus haute tension (Us).
- Système de génération de puissance selon la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens électroniques (22) de commande réalise la régulation des deux tensions (Us et Ub) du réseau bitension par modulation de la largeur des impulsions de commande des transistors constituant les trois bras de l'onduleur (21), la régulation de la tension supérieure (Us) étant réalisée d'une part par le réglage de l'amplitude des consignes de phase et d'autre part par le réglage soit de l'excitation du rotor dans le cas d'un alternateur synchrone à rotor bobiné, soit du glissement de vitesse existant entre la vitesse du champ tournant statorique et la vitesse de rotation mécanique du rotor dans le cas d'un alternateur asynchrone, soit du déphasage entre le champ magnétique statorique et le flux rotorique dans le cas d'un alternateur synchrone à aimant permanent, et la régulation de la tension inférieure (Ub) étant réalisée par l'asservissement de la tension moyenne des trois phases de l'alternateur à une consigne destinée à obtenir la tension (Ub) en entrée du sous-réseau, après les moyens de filtrage (23).
- Système de génération de puissance selon la revendication 2 caractérisé en ce que, dans le cas d'une machine électrique de type synchrone à rotor bobiné, les moyens électroniques (22) de commande réalisent la régulation des deux tensions (Us et Ub) du réseau bitension par un procédé de commandes « pleine onde » de type redressement synchrone, la régulation de la tension inférieure (Ub) étant réalisée par le réglage de l'angle d'ouverture (β) des impulsions du signal de commande des transistors de l'onduleur (21) et la régulation de la tension supérieure (Us) étant réalisée d'une part par le réglage de l'excitation du rotor de l'alternateur et d'autre part par le réglage combiné de l'angle de déphasage (α) et de l'angle d'ouverture (β) des impulsions de commande.
- Système de génération de puissance selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens électroniques (22) de commande et de régulation de l'onduleur (21) comprennent :des premiers moyens différenciateurs (31) recevant la tension (Us) mesurée en entrée du premier sous-réseau et une valeur de consigne (Us)c délivrée par un calculateur extérieur, et délivrant une erreur (εs) ;des premiers moyens correcteurs (C1) recevant ladite erreur (εs) issue des premiers moyens différenciateurs (31) et délivrant un coefficient multiplicatif (Cm) ;des seconds moyens correcteurs (C2) recevant ladite erreur (εs) issue des premiers moyens différenciateurs (31) et calculant des consignes de déphasage (DEP) ou de glissement (GLI), et d'excitation (EXC) du rotor ;des moyens (34) d'élaboration d'une onde de référence (Sréf) à partir de tops de synchronisation décalés par les consignes de déphasage ou de glissement ;des seconds moyens différenciateurs (35) recevant la tension (Ub) mesurée en entrée du deuxième sous-réseau et une valeur de consigne (Us)c délivrée par un calculateur extérieur, et délivrant une erreur (εb) ;des troisièmes moyens correcteurs (C3) recevant ladite erreur (εb) des deuxièmes moyens différenciateurs et calculant un offset (Om) à ajouter aux consignes de phase pour le réglage de la valeur moyenne de l'onde de référence (Sréf) ;des moyens (37) de génération d'impulsions de commande des six transistors de l'onduleur (21).
- Système de génération de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit électronique (21) comprend :des premiers moyens différenciateurs (51) calculant une erreur (δs) existant entre la tension supérieure mesurée (Us) à l'entrée du premier sous-réseau et une valeur de consigne (U's)c délivrée par un calculateur extérieur ;des premiers moyens correcteurs (C4) recevant ladite erreur (δs) issue des moyens différenciateurs (51) et calculant l'excitation (EXC) du rotor de l'alternateur ;des moyens (53) d'élaboration de tops de synchronisation décalés d'un angle de déphasage (α) calculé dans des seconds moyens correcteurs (C5) à partir de l'erreur (δs) issue des moyens différenciateurs (51) ;des seconds moyens différenciateurs (54) calculant l'erreur (δb) existant entre la tension inférieure (Ub) mesurée à l'entrée du second sous-réseau et une valeur de consigne (U'b)c délivrée par le calculateur extérieur ;des troisièmes moyens correcteurs (C6) recevant ladite erreur (δb) issu des deuxièmes moyens différenciateurs (54) et calculant l'angle d'ouverture (β) des impulsions de commande des six transistors de l'onduleur (21), élaborées dans des moyens (55) de génération qui reçoivent également les tops de synchronisation décalés de l'angle de déphasage (α) issu des moyens (δ3).
- Système de génération de puissance selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'alternateur (20) étant à l'arrêt, en mode convertisseur de tension, les moyens de commande (22) de l'onduleur (21) comprennent des moyens (70) de génération d'impulsions de commande des transistors qui reçoivent, comme informations d'entrée, d'une part la tension mesurée (Us) aux bornes de la batterie (26)du premier sous-réseau à 42 Volts et d'autre part une consigne (C) calculée par des moyens correcteurs (71) à partir de l'erreur (σb) issue de la comparaison dans des moyens de comparaison (72), entre la tension mesurée (Ub) aux bornes du deuxième sous-réseau et une valeur de consigne (Ub1).
- Système de génération de puissance selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'alternateur (20) étant à l'arrêt, en mode convertisseur de tension, les moyens de commande (22) de l'onduleur (21) comprennent des moyens (82) générateurs d'impulsions de commande des transistors qui reçoivent d'une part la tension mesurée (Ub) aux bornes de la batterie (25) du deuxième sous-réseau à plus basse tension et d'autre part une consigne (C') calculée par des moyens correcteurs (81) à partir de l'erreur (σs) issue de la l'erreur (σs) issue de la comparaison entre la tension (Us) mesurée aux bornes du premier sous-réseau et une valeur de consigne (Uc2).
- Système de génération de puissance selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les six interrupteurs (I1 à I6) commandables sont des transistors de type MOSFET ou IGBT ou bipolaire, associés ou pas à une diode externe.
- Système de génération de puissance selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que les deux moyens de filtrage (23 et 24) sont constitués de capacités associées à des inductances dimensionnées de façon à délivrer des tensions continues filtrées restant dans les tolérances admises.
- Système de génération de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de redressement des phases statoriques de l'alternateur triphasé sont constitués par un pont (91) de redressement passif comprenant six diodes (d1 à d6), montées par groupe de deux, en série et dans le même sens, entre la masse et la tension (Us) la plus élevée pour chacune des trois phases du stator et en ce que les moyens électroniques de régulation de la tension (Ub) du second sous-réseau sont constitués d'un interrupteur (I0) dont la fermeture est pilotée par un circuit de commande (92).
- Système de génération de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de redressement des phases statoriques de l'alternateur triphasé sont constitués par un pont (91) de redressement passif comprenant six diodes (d1 à d6), montées par groupe de deux, en série et dans le même sens, entre la masse et la tension (Us) la plus élevée pour chacune des trois phases du stator et en ce que les moyens électroniques de régulation de la tension (Ub) du second sous-réseau sont constitués par un régulateur (95) linéaire ou à découpage.
- Système de génération de puissance selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte de plus deux batteries (25 et 26) placées en entrée respectivement des deux étages de tension (U1 et U2), après les cellules de filtrage (23 et 24).
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